一文了解超声波与传感器的工作原理(3)

超声波测距的原理十分简单，由超声波的发射端发射一束超声波，在发射的同时，计时开始，发射出去的超声波在介质中传播，声波具有反射特性，当遇到障碍物时就会反射回来，当超声波的接收端接收到反射回来的超声波时，计时停止。介质为空气时，声速为 340m/s，根据记录的时间 t，利用公式（2.1）计算出发射位置与障碍物之间的距离。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理就是已知超声波在介质中的传播速度，测量出从发射到接收所需的时间，根据测量出的时间来计算出障碍物的距离。因此，超声波测距的原理与回声定位是一样的。

测距的公式如式（2.2）所示：

式中 L 为测量的距离长度；C 为超声波在介质中的传播速度；T 为测量出传播时间的一半。

由于超声波的波长相对较短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作测量时具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以让超声波测距产生误差。

5）超声波测距误差分析

由超声波测距的公式可知，测距时误差产生的原因主要为超声波在介质中的传播速度和测量距离时超声波传播所需要的时间。

假设要求测量距离时的误差小于 1mm，已知超声波在空气中的传播速度 C=344m/s (20℃室温)，忽略掉超声波的传播误差。测距误差 s△t<(0.001/344)≈0.000002907s 即 2.907μs。所以，只要保证测距时的时间误差精度在微妙时，就可以让测量误差小于 1mm。

超声波的传播速度与介质的密度有关，密度越高的时候超声波的传播速度也就越快，当介质为空气时，空气的密度又与温度有关，因此超声波的传播速度受温度影响。

已知超声波的传播速度与温度的关系如下：

式中：r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为 1.40，

R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—气体分子量，空气为 28.8×10-3kg·mol-1，

T—绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：

式中：表示零 0℃时的声波传播速度；T 表示实际的温度。

另外，在利用超声波测距时还要考虑环境因素，其中最为主要的就是温度的影响，在 0℃和 30℃时，超声波的速度明显不同。因此，在进行高精度测量时，应考虑到温度变化的影响。

超声波传感器发送器

（编辑：ASP站长网）